基于神经标志物实时调整电刺激方案的多病种兼容性闭环调控系统

技术领域

本发明涉及神经调控技术领域，具体是指一种基于神经标志物实时调整电刺激方案的多病种兼容性闭环调控系统。

背景技术

神经调控(Neuromodulation)是指通过各种手段来调整神经系统的活动，以改善患者的症状或生活质量。这包括脑刺激技术(如深脑刺激和经颅磁刺激)、神经反馈(如脑电图反馈)以及药物治疗等方法。神经调控可以用于治疗多种神经和精神疾病，包括帕金森病、抑郁症、癫痫等。

闭环神经调控是神经调控的一种特殊形式，它涉及监测患者的生理或神经信号，然后根据这些信号实时调整治疗参数。这种实时反馈系统允许个性化治疗，根据患者当前的状态进行调整。通常情况下，实现闭环神经调控通常需要以下步骤：

1)信号采集：收集与需要调控的生理或神经信号相关的数据，例如脑电图、脑磁图、生物反馈信号等。通常通过已有的神经、生理信号记录专用设备获取。

2)信号处理：对采集的信号进行处理和分析，以提取有用的信息。不同的疾病调控靶标和监测特征均存在差异，已有众多研究针对不同神经、精神疾病探究其神经标志物(比如：抑郁，de Aguiar Neto et al.,2019，强迫症，Takagi et al.,2017，自闭症，Frye etal.,2019等)，从而为闭环调控提供了理论基础。

3)反馈系统：闭环调控还需要实时反馈系统根据信号的分析结果实时调整治疗参数。目前针对一些特定场景和疾病，已有一些专利设计了相关反馈系统(比如：帕金森，CN202110551731.5；中风，CN201710610541.X等)。但尚无多病种兼容的反馈系统。

4)干预刺激：根据反馈系统的输出，实施相应的干预刺激。通常通过已有的电、磁、声、光等专用刺激设备实施。

在闭环调控干预过程中，需要持续监测信号、进行在线数据处理，并根据需要实时调整包括时间、参数等在内的刺激方案，以确保最佳效果。

现有的闭环调控干预技术，在上述四个方面均存在亟待优化的技术缺陷，尤其是在实时信号处理和反馈系统逻辑架构上缺乏多病种兼容的技术方案。目前基础研究已经对不少疾病的神经标志物和潜在的干预靶标有了一定认识，在脑电标志物的特征提取上存在较大算法共性，而电刺激参数空间更是可以共享。因此通过构建多病种兼容的技术方案，可以将基于电刺激的闭环干预中跨病种共性的部分抽取出来，开发基于神经标志物实时调整电刺激方案的多病种兼容性闭环调控系统可以对更高效地进行个性化、精确和动态的闭环神经调控研究有促进作用，有望提升临床神经、精神疾病的诊疗效率。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种基于神经标志物实时调整电刺激方案的多病种兼容性闭环调控系统。

为了实现上述目的，本发明的该基于神经标志物实时调整电刺激方案的多病种兼容性闭环调控系统如下：

该基于神经标志物实时调整电刺激方案的多病种兼容性闭环调控系统，其主要特点是，所述的系统包括：

训练模块，用于获取每个用户的个体化干预阈值；以及

干预模块，与所述的训练模块相连接，用于针对获取到的各个个体化干预阈值，对其进行实时在线闭环干预处理。

较佳地，所述的训练模块具体进行以下处理：

通过范式呈现单位呈现当前能够诱发特定神经标志物的认知行为范式，待呈现结束后，调用算法对任务过程中的脑电数据进行离线分析，以及根据既定算法逻辑提取目标神经标志物，以此计算干预阈值。

较佳地，所述的干预模块具体包括：

范式呈现单元，用于根据目标疾病特点呈现能够诱发特定神经标志物的认知行为范式，以及通过数据通讯协议输出事件标签到特定脑电通道，并根据接收到的脑电实时处理单元输出的干预刺激命令，进行在线调整范式进程的呈现。

较佳地，所述的范式呈现单元以试次为单位呈现诱发神经标志物的范式，在试次结束时间点通过网络通讯协议发送事件标签到外部脑电放大器，并在试次间隔期通过不断读取网络通讯接口获取所述的脑电实时处理单元发出的干预刺激指令，根据刺激与否，在显示器上呈现不同的视觉提示。

较佳地，所述的干预模块具体包括：

脑电数据采集单元，与所述的范式呈现单元相连接，并对接外部脑电放大器，用于通过数据通讯协议从所述的脑电放大器的实时数据流中捕获特定事件标签，从而在线截取目标数据包。

尤佳地，所述的特定事件标签具体为：

从所述的脑电放大器的实时数据流中获取大小为(脑电导联数+1)×数据点数的实时脑电数据包，并从最后一导中解析相应的事件标签，从中找到当前数据包中的最大值，若其中存在有效事件标签，则从该数据包中截取与所述的范式呈现单元中获取到的相应任务对应时间段的数据。

较佳地，所述的脑电实时处理单元与所述的范式呈现单元以及脑电数据采集单元相连接，用于根据既定算法逻辑提取目标神经标志物，通过对比所述的训练模块得到的干预阈值进行相应的逻辑判断，并输出干预刺激命令到电刺激器控制单元及所述的范式呈现单元中。

较佳地，所述的脑电实时处理单元具体进行以下处理：根据神经标志物提取离线算法进行针对单试次数据的分析，与所述的训练模块得到的干预阈值进行比较时，按目标神经标志物与症状为正相关还是反相关进行逻辑处理，生成相应的刺激方案及相关参数。

尤佳地，所述的逻辑处理具体为：

若为正相关，则在单试次计算得出的神经标志物数值未超过阈值时不进行刺激处理，在单试次计算得出的神经标志物数值超过阈值时刺激频段为神经标志物所在频段，刺激相位为反相位；

若为反相关，则在单试次计算得出的神经标志物数值超过阈值时不进行刺激处理，在单试次计算得出的神经标志物数值低于阈值时刺激频段为神经标志物所在频段，刺激相位为同相位；若刺激靶点与神经标志物获取位点不同，则刺激频段为低频调制频段，刺激强度根据干预需求和个体可接受度进行预设。

较佳地，所述的电刺激器控制单元与所述的脑电实时处理单元相连接，并对接外部电刺激器，用于通过数据通讯协议在接收到所述的脑电实时处理单元发出的干预刺激指令时，将是否启动刺激和获取到的刺激方案相关参数信息传输给所述的电刺激器，以此启动刺激。

采用了本发明的该基于神经标志物实时调整电刺激方案的多病种兼容性闭环调控系统，可以在干预过程中，针对需要进行持续监测的信号，进行在线数据处理，并根据需要实时调整包括时间、参数等在内的刺激方案，以确保最佳效果，以此提供一种个性化、精确和动态的干预方法，有望提升临床神经、精神疾病的诊疗效率。

附图说明

图1为本发明的基于神经标志物实时调整电刺激方案的多病种兼容性闭环调控系统的总体结构示意图。

图2为本发明的基于神经标志物实时调整电刺激方案的多病种兼容性闭环调控系统的干预模块的示意图。

图3为本发明的范式呈现单元中事件标签和脑电实时处理单元刺激状态指令的输出逻辑示意图。

图4为本发明的该基于神经标志物实时调整电刺激方案的多病种兼容性闭环调控系统在实际应用当中进行目标数据包在线截图的示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

在详细说明根据本发明的实施例前，应该注意到的是，在下文中，术语“包括”、“包含”或任何其他变体旨在涵盖非排他性的包含，由此使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包含这些要素，而且还包含没有明确列出的其他要素，或者为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本技术方案是在用户已有明确的目标神经标志物、神经标志物诱发范式及神经标志物提取离线算法的基础上，进行电刺激的闭环调控。

请参阅图1所示，该基于神经标志物实时调整电刺激方案的多病种兼容性闭环调控系统，其中，所述的系统包括：

训练模块，用于获取每个用户的个体化干预阈值；以及

干预模块，与所述的训练模块相连接，用于针对获取到的各个个体化干预阈值，对其进行实时在线闭环干预处理。

作为本发明的优选实施方式，所述的训练模块具体进行以下处理：

通过范式呈现单位呈现当前能够诱发特定神经标志物的认知行为范式，待呈现结束后，调用算法对任务过程中的脑电数据进行离线分析，以及根据既定算法逻辑提取目标神经标志物，以此计算干预阈值。

需要说明的是，上述提及的关于离线处理算法、阈值计算逻辑、包括刺激诱发范式等都是本技术方案的该闭环调控系统的外围，也就是进入本系统进行控制管理的前置条件，是用户要在调用闭环调控系统之前准备好的先验信息，其并不是本技术方案的核心要点，本技术方案的核心是做到能够兼容各种不同的应用场景，即在不同的应用场景下都能通过该闭环调控系统进行电刺激方案的个性化生成。

作为本发明的优选实施方式，所述的干预模块具体包括：

范式呈现单元，用于根据目标疾病特点呈现能够诱发特定神经标志物的认知行为范式，以及通过数据通讯协议输出事件标签到特定脑电通道，并根据接收到的脑电实时处理单元输出的干预刺激命令，进行在线调整范式进程的呈现。

在实际应用当中，所述的范式呈现单元能根据目标疾病特点呈现可以诱发特定神经标志物的认知行为范式(包括但不限于cue reaction范式等)，兼容视觉、听觉等范式模态；此外还通过数据通讯协议输出事件标签到特定脑电通道，并根据接收到的脑电处理实时处理单元输出的干预刺激命令，在线调整范式进程的呈现。

其中，所述的进程控制是指如图3所示，范式呈现单元以试次为单位呈现诱发神经标志物的范式，在试次结束时间点通过网络通讯协议发送事件标签(如对试次数的编码‘1’，‘2’等，可根据范式设计需要兼容不同编码逻辑‘100’，‘200’等)到外部脑电放大器，并在试次间隔期通过不断读取网络通讯口获取脑电实时处理单元发出的干预刺激指令。根据刺激与否，范式呈现单元在显示器上呈现不同的视觉提示。

作为本发明的优选实施方式，所述的范式呈现单元以试次为单位呈现诱发神经标志物的范式，在试次结束时间点通过网络通讯协议发送事件标签到外部脑电放大器，并在试次间隔期通过不断读取网络通讯接口获取所述的脑电实时处理单元发出的干预刺激指令，根据刺激与否，在显示器上呈现不同的视觉提示。

作为本发明的优选实施方式，所述的干预模块具体包括：

脑电数据采集单元，与所述的范式呈现单元相连接，并对接外部脑电放大器，用于通过数据通讯协议从所述的脑电放大器的实时数据流中捕获特定事件标签(一般为当前数据流中事件标签导联中最大数值的事件标签，即最近的一次试次)，从而在线截取目标数据包。

作为本发明的优选实施方式，所述的特定事件标签具体为：

从所述的脑电放大器的实时数据流中获取大小为(脑电导联数+1)×数据点数的实时脑电数据包，并从最后一导中解析相应的事件标签，从中找到当前数据包中的最大值，若其中存在有效事件标签，则从该数据包中截取与所述的范式呈现单元中获取到的相应任务对应时间段的数据。

请参阅图4所示，在实际应用当中，所述的脑电数据采集单元对接外部脑电放大器，通过数据通讯协议从脑电放大器实时数据流中捕获特定事件标签，从而在线截取目标数据包。脑电数据采集单元通过数据通讯协议从脑电放大器实时数据流中获取大小为(脑电导联数+1)×数据点数的实时脑电数据包，从最后一导中解析事件标签，找到当前数据包中最大值，如有有效事件标签，则从该数据包中截取与范式中任务对应时间段的数据。

作为本发明的优选实施方式，所述的脑电实时处理单元与所述的范式呈现单元以及脑电数据采集单元相连接，用于根据既定算法逻辑提取目标神经标志物，通过对比所述的训练模块得到的干预阈值进行相应的逻辑判断，并输出干预刺激命令到电刺激器控制单元及所述的范式呈现单元中。

作为本发明的优选实施方式，所述的脑电实时处理单元具体进行以下处理：根据神经标志物提取离线算法进行针对单试次数据的分析，与所述的训练模块得到的干预阈值进行比较时，按目标神经标志物与症状为正相关还是反相关进行逻辑处理，生成相应的刺激方案及相关参数。

作为本发明的优选实施方式，所述的逻辑处理具体为：

若为正相关，则在单试次计算得出的神经标志物数值未超过阈值时不进行刺激处理，在单试次计算得出的神经标志物数值超过阈值时刺激频段为神经标志物所在频段，刺激相位为反相位；

若为反相关，则在单试次计算得出的神经标志物数值超过阈值时不进行刺激处理，在单试次计算得出的神经标志物数值低于阈值时刺激频段为神经标志物所在频段，刺激相位为同相位；若刺激靶点与神经标志物获取位点不同，则刺激频段为低频调制频段，刺激强度根据干预需求和个体可接受度进行预设。

在实际应用当中，可以理解的是，多病种的应用环境均适用上述提及的处理逻辑。

在实际应用当中，所述的脑电实时处理单元根据既定算法逻辑提取目标神经标志物，通过对比训练模块得到的干预阈值，进行逻辑判断输出干预刺激命令到电刺激器控制单元及范式呈现单元。其中，所述的算法逻辑是根据神经标志物提取离线算法进行针对单试次数据的分析。与训练模块得到的干预阈值进行比较时，按目标神经标志物与症状为正相关还是反相关，按以下逻辑生成刺激方案及相关参数。若为正相关，则在单试次计算得出的神经标志物数值未超过阈值时不刺激；在单试次计算得出的神经标志物数值超过阈值时刺激频段为神经标志物所在频段，刺激相位为反相位。若为反相关，则在单试次计算得出的神经标志物数值超过阈值时不刺激；在单试次计算得出的神经标志物数值低于阈值时刺激频段为神经标志物所在频段，刺激相位为同相位。若刺激靶点与神经标志物获取位点不同，则刺激频段为低频调制频段。刺激强度根据干预需求和个体可接受度预设，总电流不超过2mA安全范围。

作为本发明的优选实施方式，所述的电刺激器控制单元与所述的脑电实时处理单元相连接，并对接外部电刺激器，用于通过数据通讯协议在接收到所述的脑电实时处理单元发出的干预刺激指令时，将是否启动刺激和获取到的刺激方案相关参数信息传输给所述的电刺激器，以此启动刺激。

在本发明的一具体实施例中，所述的训练模块通过范式呈现单位呈现可以诱发特定神经标志物的认知行为范式。呈现结束后，调用算法对任务过程中的脑电数据进行离线分析，根据既定算法逻辑提取目标神经标志物，计算干预阈值。以情绪问题为例，如中性条件下神经响应为x，目前情绪条件下神经响应为y，干预阈值可设置为：mean(x)+3×std(y－x)。神经标志物的算法及干预阈值的设定标准可根据用户的具体需求进行调整。

干预模块包括：范式呈现单元，脑电数据采集单元，脑电实时处理单元和电刺激器控制单元(图2所示)。范式呈现单元主要负责呈现神经标志物诱发范式，并传递事件标签给脑电数据采集单元，以及根据脑电实时处理单元传回的刺激指令控制诱发范式的呈现进度。如图3所示，本发明中根据范式进度调整事件标签，脑电数据采集单元通过数据通讯协议从脑电放大器实时数据流中获取大小为(脑电导联数+1)×数据点数的实时脑电数据包，从最后一导中解析事件标签，找到当前数据包中最大值，如有有效事件标签，则从该数据包中截取与范式中任务对应时间段的数据。脑电实时处理单元接收到有效数据段后，根据既定算法逻辑提取目标神经标志物，对比训练模块得到的干预阈值，进行逻辑判断输出干预刺激命令到电刺激器控制单元及范式呈现单元；在无干预刺激命令时输出特定标识符给范式呈现单元提示继续推进范式进程。在脑电数据采集单元捕获到范式呈现单元输出的范式进程结束事件标签时，所有单元结束工作完成一次闭环调控干预。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行装置执行的软件或固件来实现。

在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

采用了本发明的该基于神经标志物实时调整电刺激方案的多病种兼容性闭环调控系统，可以在干预过程中，针对需要进行持续监测的信号，进行在线数据处理，并根据需要实时调整包括时间、参数等在内的刺激方案，以确保最佳效果，以此提供一种个性化、精确和动态的干预方法，有望提升临床神经、精神疾病的诊疗效率。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。